Мутационная изменчивость - НАСЛЕДСТВЕННАЯ (ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ) ИЗМЕНЧИВОСТЬ - ИЗМЕНЧИВОСТЬ - ГЕНЕТИКА

Мутационная изменчивость

В отличие от комбинативной изменчивости, обязательным условием мутационной изменчивости является качественное изменение наследственного субстрата. В результате происходит образование новых аллелей или, напротив, утрата уже имеющихся. Это приводит к появлению у потомков принципиально новых признаков, отсутствующих у родителей.

Основные положения теории мутаций изложил Г. де Фриз (1901 - 1903). Именно он ввел термин мутация для обозначения

скачкообразного, прерывного изменения наследственного признака. Основные положения его теории во многом сохранили свое значение. Тезисно они выглядят следующим образом: 1. Мутации возникают внезапно, без промежуточных стадий, как скачкообразное изменение признака. 2. Появившиеся новые формы проявляют устойчивость и передаются по наследству. 3. Мутации отличаются от ненаследственных изменений тем, что не образуют непрерывных рядов и не группируются вокруг определенного «среднего типа»; мутации - это качественные изменения. 4. Мутации очень разнообразны, среди них есть как полезные для организма и вида, так и вредные. 5. Возможность обнаружения мутаций зависит от числа проанализированных особей. 6. Одинаковые мутации могут возникать неоднократно.

Фактический материал для теории мутаций Г. де Фриз получил в серии опытов с растением ослинник, или энотера.

В дальнейшем В. Иогансен получил неопровержимые доказательства появления мутаций в опытах на чистых (гомозиготных) линиях фасоли и ячменя (1908 - 1913). Все последующие годы мутации активно исследовались многими выдающимися учеными, в результате это привело к широкому практическому использованию полученных данных в медицине и хозяйственной деятельности человека. Выявлено, что мутационной изменчивости подвержены все формы клеточных организмов, а также вирусы. В настоящее время термином «мутация» принято обозначать любые изменения наследственного материала, передаваемые по наследству. Признак, который имелся до изменения, называется диким, и измененный - мутантным.

Классификация мутаций. Единой классификации мутаций не существует, и разделение наследственных изменений на группы осуществляется по многим показателям.

По характеру изменения наследственного материала мутации подразделяются на генные, хромосомные и геномные. В зависимости от направления мутации бывают прямыми (из дикого типа возникает мутантный) и обратными (реверсии), когда мутация приводит к ранее существовавшему дикому типу. При этом важно помнить, что строго дикого типа в природе вообще не бывает, поскольку любой ныне дикий аллель когда-то также появился в результате мутации аллеля более раннего дикого типа, который, в свою очередь, возник сходным образом. По проявлению в гетерозиготном состоянии генотипа мутации могут быть доминантными (если мутантный аллель всегда проявляется) и рецессивными (если мутантный аллель проявляется только в гомозиготном состоянии; большинство мутаций, сохранившихся в ходе естественного отбора, являются именно рецессивными). В зависимости от участия человека различают спонтанные мутации, которые возникают в природных условиях без влияния со стороны человека, и индуцированные (лат. inductio - наведение, побуждение) мутации, возникшие на фоне направленного воздействия каких-либо факторов на генетический материал по замыслу экспериментатора. По степени влияния на жизнедеятельность организма мутации делят на полезные, нейтральные и вредные (крайним выражением такого рода мутаций являются летальные мутации). Такие характеристики мутаций являются универсальными, т. е. они применимы ко всем организмам.

Для отдельных форм также применимы более конкретные классификации. В зависимости от локализации в клетке мутации могут быть ядерными и цитоплазматическими (изменения ДНК митохондрий и пластид у эукариот, а у прокариот - плазмид). В зависимости от типа клеток: мутации, происходящие в соматических клетках, называются соматическими (следует отметить, что этот тип мутаций не передается потомству при половом размножении), происходящие в половых клетках - генеративными. По фенотипическому проявлению мутации подразделяются на морфологические, физиологические, биохимические, поведенческие и др. Кроме перечисленных выше, существует немало более частных классификаций мутаций, основанных на каком-либо узком показателе, однако мы их оставим без внимания, так как это предмет специальной литературы. Ниже мы более подробно рассмотрим наиболее важные мутации.

Генные (точечные) мутации, или трансгенации представляют собой неопределяемые цитологическими методами химические изменения нуклеиновой кислоты в пределах отдельных генов. Эти изменения могут выражаться в нарушении пар нуклеотидов и сдвиге рамки считывания. В результате при транскрипции появляется измененная тРНК и, соответственно, полипептид с иной последовательностью аминокислот при трансляции. Напоминаем, что именно определенная последовательность аминокислот определяет особую структурную укладку молекулы полипептида, что обеспечивает специфические свойства белка. Изменение последовательности нуклеотидов при генной мутации, таким образом, приводит к появлению иного белка с другими функциями. Генные мутации часто являются причиной наследственных болезней, связанных с изменением обмена веществ.

Наименьшая часть молекулы нуклеиновой кислоты, изменение которой приводит к появлению нового признака (или преобразованию уже существующего), называется мутоном. Установлено, что мутон соответствует паре нуклеотидов в двухцепочечной молекуле ДНК или одному нуклеотиду в одноцепочечной молекуле нуклеиновой кислоты у вирусов. Соответственно этому генные мутации, охватывающие один сайт генного локуса, называются односайтовыми, несколько - многосайтовыми. В результате генных мутаций происходит изменение аллелей генов и их количество в генофонде популяции (и вида в целом) возрастает. Это приводит к множественному аллелизму. Напоминаем, что это понятие относится исключительно к генофонду, поскольку отдельная особь не может одновременно содержать более двух разных аллелей отдельного гена в гетерозиготном состоянии, а в гомозиготном состоянии оба аллеля одного гена одинаковы. Примером тому служит серия аллелей, определяющих окраску глаз у дрозофилы - красная (дикий тип), белая, вишневая, абрикосовая, эозиновая, цвета слоновой кости и т. д. (всего более десяти).

Генные мутации являются самыми распространенными - до 10% половых клеток у растений и животных имеют их. Однако вероятность мутации отдельного гена очень мала - в среднем 10-5 - 10-7, поэтому высокую относительную долю гамет, несущих измененный генетический материал, следует отнести к огромному количеству генов в геноме.

Как мы уже отмечали выше, генные мутации выражаются двумя способами: при изменении пар нуклеотидов и при сдвиге рамки считывания. Изменение нуклеотидной последовательности может быть в виде транзиции или трансверсии. В случае транзиции одно пуриновое основание в паре нуклеотидов заменяется на другое пуриновое, а пиримидиновое, соответственно, на другое пиримидиновое. Например:

При трансверсии, напротив, пуриновое основание замещается пиримидиновым, а пиримидиновое, соответственно, пуриновым:

Мутации, сопровождаемые изменением или заменой оснований в нуклеиновой кислоте, составляют примерно 20% общего числа генных мутаций. Значительно чаще происходят мутации, обусловленные сдвигом рамки считывания. Их механизм состоит в выпадении имеющихся (делеция) или вставки лишних пар нуклеотидов.

Хромосомные мутации (перестройки, или аберрации) представляют собой внутрихромосомные изменения или межхромосомные обмены. Хромосомные перестройки встречаются только у эукариот, поскольку лишь они обладают дискретными линейными хромосомами. У прокариот и тем более вирусов генетический материал имеет иную структурную организацию (см. разделы, посвященные прокариотической клетке и вирусам). Они могут возникать как спонтанно, так и под инициирующим воздействием мутагенов. В ходе любых хромосомных перестроек сначала происходит разрыв хромосомы, а затем осуществляется соединение фрагментов. Причем выделенные фрагменты либо удаляются и утрачиваются, либо встраиваются в ту же или в другую хромосому.

Внутрихромосомные перестройки представляют собой различного типа структурные изменения в пределах одной хромосомы (рис. 392). Потеря участка хромосомы называется делецией (или нехваткой) - ABCDEFGH → ABCEFGH (выделен утраченный ген). Впервые делецию одной из хромосом у дрозофилы обнаружил К. Бриджес (1917), причем это было первым открытием явления хромосомных мутаций вообще. В результате этой делеции у мух появляются вырезки края крыла. Нехватка концевого участка хромосомы называется дефишенси - ABCDEFGH → ABCDEFG (выделен утраченный ген). Нехватки хромосом могут быть большими и малыми. Большие обычно летальны в гомозиготном состоянии (или гемизиготном состоянии, если отсутствует участок единственной Х-хромосомы у мужчин). Причина этого, по-видимому, состоит в том, что при делеции утрачивается слишком большое количество генов, определяющих развитие органов и реализацию жизненно важных функций организма. Жизнеспособность гетерозигот объясняется тем, что имеется возможность проявления генов, локализованных в неповрежденной гомологичной хромосоме.

У человека делеция в коротком плече пятой хромосомы в гетерозиготном состоянии служит причиной болезни «кошачьего крика». Это заболевание сопровождается характерным «мяукающим» криком младенцев, а также малым размером головы (микроцефалия) и умственной отсталостью. Больные дети очень редко доживают до 10 - 12 лет. Известны также и другие тяжелые заболевания, которые развиваются у человека при делеции хромосом (также в гетерозиготном состоянии).

Возникновение делеций связано с разрывами в хромосоме. Если это происходит не на конце, а в средней части хромосомы, то разорванные участки соединяются и хромосома укорачивается. Выпадение одновременно обоих концевых участков приводит к образованию кольцевой молекулы (напоминаем, что на каждом конце хромосом располагаются теломеры, которые, кроме других функций, также препятствуют «слипанию» концов хромосомы, как это имеет место у прокариот). Если из хромосомы выделяется крупный участок, то он, в свою очередь, может замкнуться в кольцо. Утраченные фрагменты хромосом неизбежно разрушаются при делении клетки, поскольку они не обладают центромерами. Напоминаем, что центромеры являются местом инициации роста кинетохорных микротрубочек и, не имея их, участки хромосом любых размеров неспособны встраиваться в метафазную пластинку и, соответственно, распределяться по дочерним клеткам при анафазе.

Делеции можно обнаружить цитологическими методами - обычно по наличию петли, которая образуется при конъюгации гомологичных хромосом в зиготене профазы первого деления мейоза (рис. 393).

Дупликации (или повторы) представляют собой повторение какого-либо участка хромосомы. Повторяющиеся участки образуют тандемы, которые могут быть прямыми, если последовательность генов в них идет в одном направлении - ABCBCDEFGH, или обращенными (инвертированные), если последовательность генов в повторяющихся участках противоположна - ABCCBDEFGH (рис. 394). Дупликация, расположенная на конце хромосомы, называется концевой - ABABCDEFGH. Многократные повторы (более двух раз) называются мультипликациями (или амплификациями) - ABCDCDCDEFGH (во всех примерах выделены повторяющиеся участки).

Примером фенотипического проявления дупликации может служить уменьшение размеров глаз у дрозофилы (в связи с уменьшением числа омматидиев в сложных фасеточных глазах насекомого). В наибольшей степени уменьшение глаз проявляется у гомозиготных самок и самцов, поскольку мутация происходит в Х-хромосоме. Однако и у гетерозиготных самок глаза меньше дикого типа, поскольку наследование этого признака идет по принципу неполного доминирования.

Основной причиной появления дупликаций (и делеций тоже!) является разрыв хромосом. К этому могут привести самые разные факторы: ионизирующая радиация, химические мутагены, вирусы и др. Однако основной причиной разрывов и последующих мутаций генетики считают неравный кроссинговер. Он возникает при неправильной конъюгации гомологичных хромосом в фазе зиготены профазы первого деления мейоза.

Дупликации значительно менее опасны для жизнедеятельности организма, нежели делеции, поскольку здесь не происходит утраты генетической информации. Более того, повторы генов могут даже быть полезны. Например, парные гены определяют синтез полипептидов гемоглобина человека. Эти мутации весьма часты - примерно 10% генома мыши представляют собой повторяющиеся участки (значительная их часть остается в нетранскрибируемом гетерохромтатине).

Инверсии представляют собой внутрихромосомные перестройки, в процессе которых происходит поворот участка хромосомы на 180° - ABCDEFGH → ABCFEDGH (выделен инвертированный участок - см. рис. 392). В зависимости от того, захватывается ли область центромеры, инверсии подразделяются на парацентрические (если центромера не включается в оборачиваемый участок хромосомы) и перицентрические (если центромера также разворачивается). Такие перестройки, как правило, происходят в средней части хромосом и не захватывают область теломеры. Видимо, это связано с тем, что теломера препятствует слипанию хромосом, а срединные участки, разорвавшись, демонстрируют высокую способность слипаться концами.

Часто инверсии приводят к летальному исходу в рецессивном состоянии. Кроме того, эти мутации подавляют кроссинговер у гетерозигот (точнее образовавшиеся в результате кроссинговера гетерозигот рекомбинации делают организм нежизнеспособным), что может указывать на наличие инверсий. У гомозигот инверсии не препятствуют кроссинговеру.

Цитологически инверсии обнаруживаются по наличию у гетерозигот характерных петель, которые возникают между гомологичными хромосомами (нормальной и измененной), в процессе конъюгации. В хромосоме может быть не одна, а две инверсии, перекрывающиеся полностью, частично или не перекрывающиеся вовсе. В случае одиночного кроссинговера при парацентрической инверсии образуется одна хроматида с двумя центромерами и одна без центромеры. Обе структуры утратятся в ходе анафазы, поэтому в результате мейоза образуются не четыре гаметы, а две гаметы.

При перицентрической инверсии (также у гетерозигот) перенос центромер не происходит и расхождение хромосом в анафазе не нарушается. Однако у части хромосом происходят делеции, что также уменьшает количество гамет с полным набором генов.

Межхромосомные перестройки представляют собой одно- или двустороннее перемещение участков с одной хромосомы на другую, а также взаимодействие негомологичных хромосом. Взаимный (или реципрокный) обмен фрагментами между негомологичными хромосомами называется транслокациями (рис. 395). Это явление впервые было обнаружено Дж. Беллингом (1915) в опытах на бархатных бобах. Позднее К. Штерн (1926) выявил перенос фрагмента Y-хромосомы на Х-хромосому у дрозофил.

Схематично обмен генов при транслокации выглядит следующим образом: если одна хромосома имеет последовательность генов ABCDEFGH, а другая MNOPQR, то после реципрокного обмена последовательность генов в хромосомах будет MNOCDEFGH и ABPQR (выделены перемещенные гены). Приведенный случай демонстрирует обмен фрагментами одинаковой длины, однако также может происходить перенос неравных по длине участков (один меньше, а другой больше). При некоторых транслокациях возможен перенос фрагмента, содержащий центромеру, тогда появляется хромосома с двумя центромерами, а также фрагменты без центромер, которые впоследствии утратятся в процессе деления клетки.

Следствием транслокаций является изменение групп сцепления генов, т. е. гены, ранее находившиеся в разных хромосомах и, соответственно, в разных группах сцепления, при транслокациях оказываются сцепленными. Это приводит к тому, что гены негомологичных хромосом наследуются сцепленно. При этом жизнеспособными оказываются лишь те гаметы животных и споры растений, которые несут родительские сочетания хромосом. Нарушение групп сцепления делает возможным обнаружение этих мутаций генетическими методами.

Напоминаем, что в стадии зигонемы профазы первого деления мейоза гомологичные хромосомы (каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид) притягиваются друг к другу и, конъюгируя, образуют бивалент посредством синаптонемального комплекса (подробно об этом рассказывается в разделе, посвященном мейозу). При этом важно помнить, что участки гомологичных хромосом, несущие аллели одинаковых генов, в биваленте располагаются один напротив другого, именно они и притягиваются друг к другу. Если произошла транслокация, то конъюгация хромосом происходит иначе. Все дело в том, что в результате взаимного обмена участками между негомологичными хромосомами у гетерозигот по транслокации притягиваются не только две гомологичные хромосомы, но также две другие, с одной из которых произошел обмен. Это происходит из-за того, что гомологичные участки в изменившихся группах сцепления оказываются во всех четырех хромосомах и они, как им и положено, взаимно притягиваются. Таким образом, по гомологичным участкам у гетерозигот по транслокациям конъюгируют не две, а четыре хромосомы. В результате этого образуются не биваленты (состоящие из двух d-хромосом), а квадриленты (состоящие из четырех d-хромосом). При этом конъюгирующие хромосомы образуют характерную фигуру в виде креста, которую можно визуально наблюдать в световом микроскопе. Транслокации подавляют кроссинговер.

В отличие от кроссинговера, когда обмениваются гомологичными участками гомологичные хромосомы, транслокации приводят к образованию хромосом с нарушенными (измененными) последовательностями не аллелей, а отдельных генов. В результате расхождения таких хромосом из шести возможных сочетаний четыре гаметы оказываются с нарушенными хромосомами (делециями или дупликациями) и лишь две из них с полноценными. Этим объясняется тот факт, что гетерозиготы по транслокациям часто бывают стерильными - большинство продуцируемых ими гамет дефектны.

Транспозиции представляют собой перемещение участка в пределах одной хромосомы, что приводит к изменению последовательности генов в группе сцепления, либо односторонний перенос этого участка в другую хромосому. Такие переносы осуществляются с участием подвижных генетических элементов, которые имеются как у прокариот, так и у эукариот. Открытие подвижных генетических элементов принадлежит Б. Мак-Клинтоку (1947), который изучал хромосомные разрывы у кукурузы.

Робертсоновские перестройки представляют собой слияние двух негомологичных хромосом, в результате чего образуется одна более крупная хромосома. Эти преобразования названы по имени У. В. Робертсона, объяснившего уменьшение числа хромосом возможным их слиянием. Полагают, что противоположный процесс - разделение хромосомы на две - встречается значительно реже.

Геномные мутации характеризуются изменением числа хромосом, которые могут быть некратными или кратными.

Некратное изменение числа хромосом в диплоидном наборе называется гетероплоидией, или анэуплоидией. Это может сопровождаться отсутствием одной из хромосом - моносомия по данной паре хромосом или всей пары гомологичных хромосом - нуллисомия. Наличие одной или нескольких лишних хромосом называется полисомией, которую, в свою очередь, подразделяют на трисомию, если одна хромосома лишняя, тетрасомию - при наличии двух лишних хромосом и т. д. Название в данном случае определяется количеством гомологичных хромосом, например, если к двум имеющимся добавляется одна лишняя, то это трисомия, если лишних две, то всего таких гомологичных хромосом четыре и нарушение называется тетрасомией и т. д. Все эти изменения отражаются и на фенотипе, так как сопровождаются либо недостатком, либо, соответственно, избытком генов. Причиной возникновения гетероплои- дии является нарушение расхождения хромосом в процессе мейоза. Если гомологичные хромосомы или хроматиды не разошлись, то в одну из гамет попадут сразу две хромосомы, а в другую ни одной. Соответственно, при участии таких гамет в оплодотворении образуется зигота с измененным числом хромосом. Явление гетероплоидии впервые было обнаружено К. Бриджесом в опытах по изучению наследования сцепленных с полом признаков у дрозофилы.

Гетероплоидия возможна как у аутосом, так и у половых хромосом. Очень часто она сопровождается серьезными заболеваниями и даже может служить причиной летального исхода. В частности, моносомия (отсутствие одной из гомологичных хромосом) у спорофитов растений обычно летальна. У дрозофил моносомия по четвертой хромосоме приводит к появлению более мелких и менее фертильных мух. Однако моносомия по второй или третьей хромосомам у тех же мух вызывает летальный исход, что указывает на неравноценность расположенных в этих хромосомах генов. Воздействие полисомии на споры растений неодинаково. Так, в микроспорах гаметофит не развивается, а в мегаспорах лишняя хромосома не оказывает влияния на развитие женского гаметофита.

Неправильное расхождение хромосом возможно не только в процессе мейоза, но также и митоза (рис. 396). Дальнейшее деление таких клеток приводит к увеличению их числа. Результатом этого будет многоклеточный организм, часть клеток которого будет иметь измененное число хромосом и проявлять различные свойства. Нахождение в организме клеток одного типа с различными свойствами называется мозаицизмом. Относительная доля измененных клеток зависит от того, на какой стадии дробления произошло неправильное расхождение хромосом - чем это произошло раньше, тем больше будет измененных клеток в развивающемся организме. Тогда, как в случаях нарушения расхождения хромосом при мейозе, образуются гаметы, последующее участие которых в оплодотворении приведет к образованию организма, все клетки которого будут изменены.

Кратные изменения числа наборов хромосом выражаются в гаплоидии и полиплоидии. При гаплоидии все хромосомы в кариотипе представлены в единственном числе. Напомним, что у диплоидных организмов каждая хромосома имеет гомологичную пару с теми же генами, но, возможно, с другими аллелями этих генов. Следует указать, что изменение числа наборов хромосом далеко не всегда говорит о мутации. Многие исследователи вообще не считают мутациями хромосомные изменения. Например, у высших растений в обязательном порядке происходит закономерное чередование гаплоидного поколения (гаметофит) и диплоидного (спорофит, подробнее об этом говорится в разделе, посвященном высшим растениям). Известны гаплоидные формы у грибов и водорослей. У многих простейших (жгутиконосцы, споровики) первое деление зиготы представляет собой мейоз, в результате которого образуются гаплоидные клетки. Даже среди высокоорганизованных многоклеточных организмов могут иметься особи с гаплоидным набором хромосом (самцы перепончатокрылых - пчел, муравьев и др.). Наконец гаплоидные клетки (гаметы) образуются у всех организмов, размножающихся половым путем.

Индуцированное получение гаплоидных организмов имеет прикладное значение, поскольку в гаплоидных клетках легче дифференцировать полезные и вредные мутации. А дальнейший перевод гаплоидов в диплоиды позволяет получать растения с нужными качествами. Для получения индуцированных гаплоидных организмов используют различные методы: искусственное опыление пыльцой с ядрами, предварительно убитыми проникающей радиацией или пыльцой другого вида; задержкой опыления (для стимуляции деления неоплодотворенной яйцеклетки). Изредка в семенах растений развивается два зародыша (по аналогии с животными их называют близнецами), один из которых является нормальным диплоидным, а второй - гаплоидным.

Полиплоидия приводит к кратному увеличению числа наборов хромосом. Полиплоидными считаются организмы, имеющие более двух наборов хромосом. При этом различают сбалансированные полиплоиды, содержащие четное количество наборов - 4n, 6n, 8n,10n и т. д., и несбалансированные с нечетным количеством наборов - 3n, 5n, 7n, 9n и т. д. При этом у несбалансированных полиплоидных организмов часто имеют место дефекты в процессе мейоза из-за невозможности правильной коньюгации нечетного количества хромосом и нарушений при их расхождении.

Как и гаплоидия, полиплоидия значительно более распространена у растений, особенно цветковых, где их доля составляет почти половину (большинство культурных растений полиплоидны). Для голосеменных растений полиплоидия нехарактерна.

Макронуклеусы гетероядерных простейших (инфузорий) высокополиплоидны. У многоклеточных животных полиплоидия всего организма встречается лишь у некоторых гермафродитов (например, у земляных червей) и у форм, размножающихся партеногенетически (некоторые чешуекрылые, жесткокрылые, полужесткокрылые, ракообразные, рыбы и земноводные). Кроме того, у многих животных имеет место полиплоидия клеток отдельных органов (например, печени млекопитающих, слюнных желез и мальпигиевых сосудов некоторых насекомых), что получило название эндополиплоидии.

Установлено, что климат влияет на степень распространенности полиплоидных организмов - их становится больше по мере приближения к арктическим и антарктическим широтам, а также в условиях высокогорья.

Увеличение числа одинаковых геномов называется автополиплоидией. Примером тому является многократное увеличение наборов хромосом в макронуклеусе инфузорий (более тысячи раз). Автополиплоидия может возникать спонтанно и искусственно. Спонтанная может происходить в случаях нарушений расхождения хромосом в процессе мейоза при спорогенезе. Образовавшиеся в результате этого не гаплоидные, а диплоидные споры впоследствии продуцируют также диплоидные гаметы. Если плоидность увеличивается в соматических клетках, то это приводит к появлению мозаицизма, когда в организме одновременно присутствуют и диплоидные и полиплоидные клетки. Причиной этому может быть репликация хромосом, которая не сопровождается последующим разделением клеток.

Индуцированное увеличение плоидности вызывает живой интерес селекционеров, поскольку позволяет получить высокопродуктивные растения. В отличие от гаплоидных (которые имеют меньшие размеры, нежели диплоиды), полиплоидные формы высших растений имеют большие размеры. Однако увеличение плоидности приводит к росту продуктивности лишь до определенных пределов, превышение которых может привести к обратному результату - появлению более слабых растений. Обычно для этого используют вещества, препятствующие расхождению d-хромосом, например, колхицин, который способен связываться с тубулином и блокировать тем самым полимеризацию необходимых для образования веретена деления микротрубочек. Экспериментально можно добиться появления триплоидности у тритонов, если воздействовать на яйца аномально высокой или, наоборот, низкой температурой.

Наличие нескольких наборов хромосом вносит определенные изменения в процессе мейоза. Напомним, что обязательным этапом этого процесса является конъюгация гомологичных хромосом с образованием бивалентов (см. раздел, посвященный мейозу). Однако у полиплоидных организмов гомологичных хромосом не две, а больше (пропорционально кратности генома). В результате этого возникают не биваленты, а, например, квадриленты (если геном тетраплоиден). У несбалансированных полиплоидных форм гораздо чаще проявляются нарушения мейоза, из-за чего они почти всегда оказываются стерильными. Это обстоятельство, безусловно, вредное для растения, может оказаться весьма полезным для потребительских нужд человека. В качестве примеров можно привести триплоидные бананы с плодами без семян или искусственно полученные триплоидные арбузы (также лишенные косточек).

В отличие от автополиплоидных организмов, у аллополиплоидных умножается геном не одного вида, а разных. Они возникают в результате гибридизации различных видов и родов - отдаленной гибридизацией. Полученные при этом гибриды с разными наборами хромосом называются отдаленныьми гибридами, а их полиплоидные формы, соответственно, являются аллополиплоидами. Полиплоидные отдаленные гибриды также могут быть бесплодными, но это случается реже, чем у автополиплоидных. В начале 20-х годов XX в. отечественный цитогенетик Г.Д. Карпеченко впервые получил плодовитый межродовой гибрид, скрещивая редьку с капустой. Оба скрещиваемых растения имеют в диплоидном наборе по 18 хромосом (в гаплоидном, соответственно, по 9). Спорофитное поколение гибрида, названного рафанобрасси- кой, имело в соматических клетках 36 хромосом, половина из которых редечные и половина капустные. Фенотип рафанобрассики совмещал признаки обоих родителей, но, к сожалению, в неприемлемом для сельского хозяйства сочетании, поскольку побег был близок к редьке, а корень - к капусте. Поэтому, несмотря на грандиозный научный успех, этот гибрид не имел потребительской ценности и не получил хозяйственного распространения.

Хромосомные болезни человека. У человека известно большое количество наследственных заболеваний. Многие из них вызваны изменением численности хромосом (как половых, так и аутосом). К сожалению, у новорожденных они встречаются очень часто. В частности, из каждых 1000 новорожденных (имеются в виду живые!) 3 - 4 имеют хромосомные нарушения. Причиной 35 - 40% случаев врожденных пороков развития «виноваты» именно такие мутации. К счастью, далеко не все эмбрионы с хромосомными нарушениями благополучно рождаются - в среднем из-за них происходит 40% спонтанных абортов, а также 6% всех мертворожденных. Вызывает тревогу, что в последнее время, несмотря на достижения науки, доля детей с хромосомными аномалиями не только не уменьшается, а, наоборот, прогрессивно возрастает. Это связано с воздействием химических веществ, проникающей радиации, курением, алкоголизмом родителей и многими другими факторами. Обычно проявившийся синдром называют по имени исследователя, который первым его описал. Наиболее распространенные заболевания представлены в табл. 40.

Мутагенез. В зависимости от природы происхождения все мутации делят на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают в естественных условиях обитания организма. Считается, что на их появление не оказывается никакого воздействия извне, они всегда неожиданны и непредсказуемы и действительные причины таких мутаций во многом остаются неизвестными. Характерной особенностью спонтанных мутаций является то, что они крайне редки, причем известную сложность представляет определение их частоты. Обычно для этого сравнивают частоту появления в популяции, обработанной каким-либо мутагеном, с контрольной популяцией, на которую не оказывалось внешнее воздействие. Оказалось, что у разных генов частота спонтанных мутаций неодинакова. Кроме того, обнаружены гены, способные оказывать воздействие на появление мутаций в других генах, их назвали мутаторными.

Индуцированные мутации возникают под воздействием внешних факторов. Такие факторы называются мутагенными, или мутагенами. В зависимости от природы их делят на физические, химические и биологические.

Физические мутагены составляют высокоэнергетичные частицы крайне малой величины, из-за чего они обладают высокой способностью глубоко проникать в ткани и вызывать молекулярные нарушения. Следствием этого является появление в тканях заряженных частиц - ионов, обладающих высокой реакционной активностью и способных вызывать вторичные изменения генетического материала.

Таблица 40

Хромосомные болезни человека

Название синдрома	Причина	Частота	Проявление
Аномалии аутосом
Синдром Дауна	Трисомия по 21-й хромосоме	1 : 500 - 700 новорожденных; носителей в четыре раза больше, но они гибнут во внутриутробном периоде	Умственная отсталость, изменение строения лица (монголоидность), у 40% имеют место различные пороки сердца; больные редко живут более 20 лет и крайне редко имеют детей
Синдром Патау	Трисомия по 13-й хромосоме	1 : 5000 - 7000 новорожденных	Расщепление губы («заячья губа»), расщепление нёба («волчья пасть»), пороки развития головного мозга, глазных яблок и внутренних органов (особенно сердца, почек и половых органов), полидактилия (многопалость): около 90% детей погибают в течение первого года жизни
Синдром Эдвардса	Трисомия по 18-й хромосоме	1 : 7000-10 000 новорожденных	Нарушения в развития всех систем органов; около 90% детей погибают в течение первого года жизни
Синдром «кошачий крик»	Частичная мо- носомия по 5-й хромосоме	1 : 40 000 - 50 000 новорожденных	Плач очень высокого тона
Аномалии половых хромосом
Синдром Шерешевского - Тернера	Комплекс половых хромосом ХО (моносомия)	1 :2500 новорожденных; носителей гораздо больше, но они гибнут во внутриутробном периоде	Женский фенотип. Разнообразные нарушения физического и (иногда) умственного развития. Диагноз ставится, если одновременно имеется гипогонадизм и недоразвитие половых признаков (как первичных, так и вторичных), врожденные соматические пороки развития, низкий рост
Синдром Клайнфельтера	Комплекс половых хромосом XXY	1 :500 мужчин	Мужской фенотип. Нарушения проявления первичных (недоразвитые уменьшенные яички с дегенерированным сперматогенным эпителием) и вторичных половых признаков, умственная отсталость (иногда), олигоспермия (поэтому обычно бесплодны)
Трисомия X	Комплекс половых хромосом XXX	1 :700 женщин	Аномалии развития половых органов и скелета, умственная отсталость, однако симптомы выражены не всегда, пониженная репродуктивная способность
Трисомия XY	Комплекс половых хромосом XXXY	Очень редко	То же, что и у XXY, но более выражено
Тетрасомия X	Комплекс половых хромосом ХХХХ	Очень редко	То же, что и у XXX, но более выражено
Тетрасомия XY	Комплекс половых хромосом XXXXY	Описано более 100 случаев	То же, что и у XXXY, но более выражено
Пентасомия XX	Комплекс половых хромосом ХХХХХ	Единичные случаи	То же, что и у ХХХХ, но более выражено
Пентасомия XY	Комплекс половых хромосом XXXXXY	Единичные случаи	То же, что и у XXXXY, но более выражено
Дисомия XY	Комплекс половых хромосом XYY	1 :1000	Более высокий рост, слабые мышцы и импульсивное поведение (среди заключенных доля мужчин с таким генотипом составляет около 2%); все фенотипические отклонения обычно выражены слабо
Трисомия XY	Комплекс половых хромосом XYYY	Очень редко	Выраженные половые и соматические нарушения
Синдром тестикулярной феминизации	Нарушение развития половых признаков		Женский фенотип наружных половых органов, но развиваются нормальные яички; большая физическая сила, сопоставимая с мужской (из-за высокого содержания тестостерона, обладающего анаболическими свойствами); детей иметь не могут
Андрогенитальный синдром	Тоже		Мужской фенотип наружных половых органов, но развиваются нормальные яичники и другие внутренние женские половые органы; детей иметь не могут

Особенно опасными являются свободные радикалы и , образующиеся из воды внутренней среды клетки. Наиболее известными физическими мутагенами являются ионизирующая радиация (α-, β-, ɣ-лучи, Х-лучи - рентгеновские лучи, а также потоки протонов и нейтронов) и коротковолновые световые лучи с длиной волны менее 400 нм (ультрафиолетовые лучи). Наиболее активно действует ионизирующая радиация, обладающая гораздо более высокой проникающей способностью. В результате возникают генные и различные типы хромосомных мутаций. Похожее воздействие на генетический материал оказывает также облучение потоками нейтронов и протонов. Ультрафиолетовые лучи обладают меньшей энергией, поэтому они оказывают воздействие лишь на поверхностные ткани. При этом образуются димеры тимидина, которые впоследствии станут причиной нарушения нуклеотидной последовательности в процессе репликации ДНК.

Первые индуцированные мутации были получены в 1925 г. отечественными микробиологами Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в результате экспериментального облучения дрожжей «лучами радия» (ионизирующей радиацией). Это привело к заметному увеличению наследственных форм микроорганизма. В 1927 г. американский генетик Г. Меллер вызвал разнообразные мутации у дрозофил, воздействуя на них рентгеновскими лучами, при этом частота мутаций возрастала в сотни раз. Установлено, что у человека удваивается частота мутаций при получении ионизирующей радиации в дозе 0,5 - 1,5 Гр (50 - 150 рад.).

К сожалению, техногенные катастрофы последних лет, а также нарушения правил техники безопасности при использовании радиоактивных веществ и ядерных отходов в значительной степени увеличили риск радиационного облучения. В связи с этим вызывают интерес вещества, обладающие антимутагенной активностью, которые способны в значительной степени снижать вредное воздействие ионизирующей радиации. К таким веществам относятся радиопротекторы, главным образом содержащие серу аминокислоты - метионин, цистин, цистеин, а также ряд пуриновых и пиримидиновых производных (метилурацил, калия оротат, инозин, рибоксин). Физические мутагены широко используются селекционерами для индуцирования мутаций при выведении новых сортов растений. В качестве источника g-лучей в лабораторных условиях обычно используют радиоактивный кобальт (60Со).

Химические мутагеныы должны обладать следующими свойствами: 1 - высокой проникающей способностью; 2 - свойством изменять коллоидное состояние хромосом и 3 - определенным действием на изменение гена или хромосомы. В зависимости от действия их подразделяют на две группы: мутагены, действующие только на реплицирующуюся ДНК (акридиновые красители и аналоги азотистых оснований), и мутагены, действующие как на реплицирующуюся, так и на покоящуюся ДНК (алкилирующие соединения - нитрозогуанидин, метилметансульфонат и этилметансульфонат).

Химические вещества, индуцирующие мутации, были обнаружены в 30-х годах ХХ в. в экспериментах с дрозофилой. Ими оказались йод, аммиак, этиленамин, формалин, азотистый иприт и др.

В последующие годы было обнаружено большое количество других химических мутагенов, а также вещества антимутагены, которые нейтрализуют или ослабляют воздействие мутагенов. Обычно антимутагены специфично действуют в отношении конкретного мутагена. Из наиболее известных можно назвать ненасыщенные жирные кислоты (особенно полиненасыщенные), тониновую кислоту, витамины, обладающие антиоксидантной активностью (витамины С, А, Е), катехин (содержащийся в чае, особенно зеленом, и кофе) и др.

Биологические мутагеныы - это, главным образом, вирусы, вызывающие наследственные изменения генетического материала у прокариот и эукариот. Кроме вирусов, мутации могут вызывать транспозируемые генетические элементы, а также микроорганизмы, выделяющие токсины (прежде всего плесневые грибы). Правда, в последнем случае имеет место не прямое воздействие биологического мутагена на генетический материал, а опосредованное - через выделяемые химические вещества.

Установлено, что эффект индивидуального действия отдельных мутагенов можно усилить, сочетая их с одновременным воздействием других факторов. Так, К.В. Ватти и М.М. Тихомирова дополнительно подвергали облученных рентгеновскими лучами дрозофил воздействию высокой температуры (+ 37° С) и обнаружили более высокую частоту мутаций по сравнению с вызываемыми только облучением. При этом сама по себе высокая температура не индуцирует мутации.

Значение мутаций. Мутации, так же как и рекомбинации, дают новые состояния генотипов. Однако, в отличие от последних, мутации приводят к образованию новых аллелей и даже генов. Следовательно, они являются причиной любого качественного изменения генофонда, что, согласно теории эволюции, определяет микро- и макроэволюционные процессы. Для хозяйственной деятельности человека мутации (особенно индуцированные) важны в качестве метода, позволяющего получить разнообразие племенного материала с последующим отбором наиболее ценных форм.